U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S74

VULNERABILIDAD SÍSMICA DE PUENTES ENCOLOMBIA Y ESTRATEGIAS PARAREHABILITACIÓN

Luis E. Yamin1 Daniel Ruiz 2

AbstractA general diagnosis concerning the seismic vulnerability of the bridges in the main Network of Roads in Colombiais presented based upon approximate appraisals. For those bridges identified as critical in this appraisal, adetailed methodology is presented to evaluate the seismic vulnerability considering simultaneously the problemsof load capacity and residual useful life of the bridges due to the large increase of truckload in relation with theoriginal design loads. General criteria are given to define alternatives of rehabilitation and/or reinforcement aswell as general guidelines in order to choose the best solution.

Palabras ClavesPuentes, Vulnerabilidad sísmica, rehabilitación.

1. INTRODUCCIÓNEn el año 1996 se desarrolló en el Instituto Nacional deVías, INVIAS, el Sistema de Administración de Mante-nimiento de Puentes de Colombia, SIPUCOL [4], queincluye entre otros los siguientes aspectos:

- Inventario general de puentes

- Inspección principal y especial de puentes

- Inspección y mantenimiento rutinarios

- Priorización de obras de reparación y refuerzo

- Control de presupuestos, costos y avance de obras

- Diseño de obras de reparación y refuerzo

- Evaluación de la capacidad de carga de los puentes

El inventario general de puentes de Colombia cubretodos los puentes administrados por el Instituto Nacio-

nal de Vías que al momento del Inventario totalizaron1958 puentes incluyendo únicamente aquellas estruc-turas con más de diez (10) metros de luz.

El inventario incluye la siguiente información específica:

- Nombre, número y localización de la estructura

- Tipo de cruce (carretera nacional, carretera conce-sionaria, río o corriente, paso peatonal, etc. )

- Fecha de construcción y posible reconstrucción

- Información de la capacidad de carga y camión dediseño

- Tipos de superestructura y subestructura incluyen-do materiales de construcción

- Geometría de la estructura (ancho, longitud, gáliboprincipal, etc.)

1 Profesor Asociado de la Universidad de los Andes, Director del Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles,(CIMOC), de la Universidad de los Andes.

2 Asistente Graduado de Investigación del Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles, (CIMOC), de la Universidadde los Andes.

F a c u l t a d d e I n g e n i e r í a 75

Cada uno de los grupos de puentes clasificados pormaterial se pueden subclasificar a su vez según el tipode estructura. Dentro de los tipos de estructuras estánlos siguientes:

- Concreto reforzado: losa y vigas, losa maciza, cajón,arco y otros.

- Concreto pre-esforzado: losa y vigas, cajón, otros

- Acero: armaduras, viga, provisionales, arco, otros

- Tipos de componentes de apoyo (apoyos rígidos,juntas de expansión, etc.)

- Calificación preliminar del estado del puente.

De acuerdo con el material principal de construcción, lospuentes de la red vial se subdividen en puentes de con-

Figura 1 Clasificación de los puentes de acuerdo con el tipo de material

creto reforzado, de concreto pre-esforzado, acero-con-creto, acero y otros que incluyen sin refuerzo, en concre-to ciclópeo, piedra, madera y demás. La Figura 1 presentala distribución relativa de los puentes de la red vial prin-cipal de acuerdo con el tipo de material principal.

- Acero-concreto, estructura transversal: armadura,losas-vigas, arco, cajón, otros

- Acero-concreto, estructura longitudinal: simplemen-te apoyado, viga continua, colgante, atirantado, ca-jón, viga Gerber, otros.

Las posibles clasificaciones de los puentes se presentaen forma resumida en las Figura 2. La Figura 3 presentalas distribuciones relativas en cada tipo de puente paralos diferentes materiales, según lo indicado.

TIPOS DE PUENTES

Arco Cercha

Superior Inferior Superior Inferior A través

Viga con alma llena

Colgante Atirantado

ACERO-CONCRETOACERO OTROS

Mampostería Madera Piedra

CONCRETO

Viga preesforzada Viga cajón ArcoViga y placa

TIPOS DE PUENTES

Arco Cercha

Superior Inferior Superior Inferior A través

Viga con alma llena

Colgante AtirantadoArco Cercha

Superior Inferior Superior Inferior A travésSuperior Inferior Superior Inferior A través

Viga con alma llena

Colgante Atirantado

ACERO-CONCRETOACERO OTROS

Mampostería Madera PiedraMampostería Madera PiedraMampostería Madera Piedra

CONCRETO

Viga preesforzada Viga cajón ArcoViga y placa Viga preesforzada Viga cajón ArcoViga y placa Viga preesforzada Viga cajón ArcoViga y placa

Figura 2 Tipos de puentes de acuerdo con el material

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La evaluación preliminar de los puentes desarrolladopor el INVIAS en el sistema SIPUCOL [4] se basa en unacalificación del estado de los diferentes elementos quecomponen el puente (tanto la superestructura como lasubestructura) teniendo en cuenta la importancia relati-va del elemento en el comportamiento global del puen-te. La calificación global de un puente varía entre 0 y 5,siendo 0 la calificación que refleja el menor daño y 5 lacalificación que refleja un daño extremo, falla total oriesgo de falla total.

T ra b eC a jó n

4 %

O tro1 %

L o sa /V iga s9 1 %

L o s a5 %

A rc o1 %

D IS T R IB U C IÓ N D E L O S PU E N T E S D E C O N C R E TO S E G ÚN S U E S T R U C TU R A

PR OV IS ION A L2 3 %

O T R O S8 %

A R C O6 %

A R M A D U R A4 3 %

VIG A2 0 %

D IS T RIBU CIO N D E PU E NT E S D E AC E R O S E G Ú N S U E S T R UC T U R A

Figura 3 Distribuciones relativas en cada tipo de puente para los diferentes materiales

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Núm

ero

de P

uent

e

Longitud de la luz (m)

DISTRIBUCIÓN DE LOS PUENTES DE CONCRETO SEGÚN SU LUZ TOTAL

No de Puentes 42 859 315 246 142 46 7 11

<10 10 a 20 20 a 30 30 a 50 50 a 100 100 a 20 0 200 a 30 0 >300

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Núm

ero

de P

uent

e

Calificación

DISTRIBUCIÓN DE LOS PUENTES DE CONCRETO SEGÚN SU ESTADO

No de Puentes 111 413 718 328 83 1 28

0 1 2 3 4 5 Desconocido

0

50

1 00

1 50

2 00

2 50

3 00

3 50

4 00

4 50

Núm

ero

de P

uent

es

N o de C am io n es/d ía (m )

D IS TR IB U C IÓN D E L O S PU EN TE S D E C O N C R ETOSEG Ú N E L TR Á F ICO

No d e Pue ntes 3 36 2 20 4 19 2 43 1 51 6 2 2 4 3 0 4 9 2 8 3 7 1 3 7 8

< 5 005 00 a 1 000

1 00 0 a

2 00 0

2 00 0 a

3 00 0

3 00 0 a

4 00 0

4 00 0 a

5 00 0

5 00 0 a

6 00 0

6 00 0 a

7 00 0

7 00 0 a

8 00 0

80 00 a

1 00 00

1 00 00 a

1 50 00

1 50 00 a

2 00 00

2 00 00 a

3 00 00

> 3 00 0 0

Por otro lado resulta de interés clasificar cada uno delos tipos de puentes de acuerdo con tres variables fun-damentales que son la longitud de la luz principal, eltráfico promedio diario y el estado del puente. En lasFiguras 4 y 5 se presentan las anteriores clasificacionespara los grupos de puentes de concreto (reforzados ypre-esforzados) y de acero.

Figura 4Clasificación de los puentes de concreto (reforzados y pre-esforzados) de acuerdocon la longitud de la luz principal, el tráfico promedio diario y el estado delpuente

F a c u l t a d d e I n g e n i e r í a 77

El sistema de administración de puentes organiza entonces todas las actividades asociadas con los puentes de la redvial nacional. El esquema siguiente resume las actividades asociadas con los puentes. Los sombreados indican lasactividades para las cuales no se han desarrollado aún los procedimientos y documentación necesarios que norma-licen dichas actividades. Las demás actividades ya cuentan con dicha documentación y normalización.

Figura 5Clasificación de los puentes de acero de acuerdo con la longitud de la luz principal, el tráficopromedio diario y el estado del puente

0

5

10

15

20

25

Núm

ero

de P

uent

es

Longitud de la luz (m)

DISTRIBUCIÓN DE LOS PUENTES DE ACERO SEGÚN LA LUZ TOTAL

No de Puentes 0 5 8 6 8 23 10 2 2< 10 10 a 20 20 a 30 30 a 40 40 a 50 50 a100 100 a 200 200 a 300 > 300

0

5

10

15

20

25

Núm

ero

de P

uent

esCalificación

DISTRIBUCIÓN DE LOS PUENTES DE ACERO SEGÚN SU ESTADO

No Puentes 6 9 21 19 7 0 3

0 1 2 3 4 5 d

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 0

Núm

ero

de

Pue

nte

s

N o de C a m io n e s /d ía ( m )

D IS TR IB U C IÓ N D E L O S P U E N T E S D E A C E R O S E G Ú N E L TR Á FIC O

N o d e P u e n te s 1 9 1 3 1 1 6 3 3 0 3 0 0 0 0 0 0

< 5 0 0

5 0 0 - 1 0 0 0

1 0 0 0 - 2 0 0 0

2 0 0 0 - 3 0 0 0

3 0 0 0 - 4 0 0 0

4 0 0 0 - 5 0 00

5 0 0 0 - 6 0 0 0

6 0 0 0 - 7 0 0 0

7 0 0 0 - 8 0 0 0

8 0 0 0 - 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 -

1 5 0 0 0

1 5 0 0 0 -

2 0 0 0 0

2 0 00 0 -

3 0 00 0

> 3 0 0 0 0

Figura 6Resumen de las actividades asociadas con los puentes.

SUPERESTRUCTURA

SUBESTRUCTURA

•Superficies de concreto y/o acero•Barandas y defensas•Protección de taludes•Juntas•Pavimentos asfálticos

DISEÑO CONSTRUCCIÓN MANTENIMIENTO ESTUDIOS DECONCEPCIÓN

Y PLANEACIÓN

INSPECCIONES REHABILITACIÓNEVALUACIÓN

CAPACIDAD DE CARGA

CAPACIDADSÍSMICA

CAPACIDAD DECRECIENTES

CARGA MÁXIMA FATIGA SOCAVACIÓNAVALANCHA

CARGAS VERTICALES

CARGAS HORIZONTALES

REPARACION REFORZAMIENTO RECONSTRUCCIÓNPRINCIPAL ESPECIAL

ACTIVIDADES ASOCIADAS A LOS PUENTES

SUPERESTRUCTURA

SUBESTRUCTURA

•Superficies de concreto y/o acero•Barandas y defensas•Protección de taludes•Juntas•Pavimentos asfálticos

DISEÑO CONSTRUCCIÓN MANTENIMIENTO ESTUDIOS DECONCEPCIÓN

Y PLANEACIÓN

INSPECCIONES REHABILITACIÓNEVALUACIÓN

CAPACIDAD DE CARGA

CAPACIDADSÍSMICA

CAPACIDAD DECRECIENTES

CARGA MÁXIMA FATIGA SOCAVACIÓNAVALANCHA

CARGAS VERTICALES

CARGAS HORIZONTALES

REPARACION REFORZAMIENTO RECONSTRUCCIÓNPRINCIPAL ESPECIAL

ACTIVIDADES ASOCIADAS A LOS PUENTES

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2. METODOLOGIA DETALLADA PARA LAEVALUACION DE LA VULNERABILIDADSISMICA Y CAPACIDAD DE CARGA

Con el fin de estandarizar los procedimientos para laevaluación de la vulnerabilidad sísmica y capacidad decarga de los puentes de la red vial nacional se ha defini-do una metodología general la cual debe aplicarse en sutotalidad en la medida de las posibilidades. La metodo-logía definida a continuación incluye diversas activida-des que fueron implementadas sobre varios puentescomo se ilustra en la referencia [9]:

1 Recopilación de la información : la recopilación de lainformación incluye la topografía general de la zonade los estribos del puentes, la información geotécni-ca de pilas y estribos, el levantamiento geométrico ycaracterísticas estructurales, propiedades de mate-riales y demás información relacionada. Esta activi-dad incluye la reconstrucción de los planos estruc-turales cuando estos no están disponiblesincluyendo el esquema de la cimentación.

2 Pruebas de comportamiento: con el fin de garantizarque los modelos analíticos que se utilicen represen-tan de manera adecuada el comportamiento real de laestructura se propone la realización de tres tipos depruebas en el sitio que incluyen: aplicación de car-gas verticales conocidas, registro de vibracionesambientales o forzadas con carga cíclica y registrodel comportamiento ante efectos térmicos. En todoslos casos se debe contar con la instrumentación ade-cuada lo cual incluye balanzas para pesaje, equipotopográfico de alta precisión, registro de deforma-ciones unitarias en elementos seleccionados, senso-res de vibración, excitador dinámico de estructuras,termocuplas, deformímetros para medición de des-plazamientos, anchos de grietas y similares.

3 Inspección detallada: tiene por objetivo determinarla calidad y el estado de los elementos estructuralesprincipales. Para el caso del concreto se deben eva-luar los posibles efectos de corrosión o deterioro ydeterminar las propiedades principales para el análi-sis como son el módulo elástico y la resistencia a lacompresión mediante ensayos no destructivos o me-diante la recuperación de núcleos. Para el caso delacero se debe determinar igualmente las propieda-des elásticas y de resistencia pero debe investigarsede manera detallada el estado real de la estructurapara lo cual deben investigarse los posibles estados

de corrosión, fisuras, deterioros, etc. En particulardeben adelantarse ensayos radiográficos, de tintaspenetrantes, partículas magnéticas y/o ultrasonido.Para el caso de puentes metálicos debe estudiarse eleventual avance en los estados de fatiga medianteestimaciones analíticas de vida de servicio de mane-ra conjunta con las evaluaciones anteriores.

4 Evaluación de la vulnerabilidad sísmica y capacidadde carga: incluye las actividades asociadas a la eva-luación de la estabilidad global de la estructura y a lamodelación analítica de la estructura para determinarel efecto de diferentes hipótesis de carga sobre loselementos estructurales. La estabilidad global de laestructura por su parte incluye la evaluación de lasrestricciones a los movimientos longitudinales ytransversales, los anchos de los apoyos para evitarla pérdida de soporte, la presencia de llaves de cor-tante, conexiones entre tramos estructurales y otrosaspectos relacionados. La modelación analítica per-mitiría contar con un modelo analítico calibrado deacuerdo con las pruebas de comportamiento realiza-das y que permitiría evaluar los factores de sobrees-fuerzos en los diferentes elementos estructurales antehipótesis de cargas gravitacionales (capacidad decarga) e hipótesis de carga que incluyan la cargasísmica (vulnerabilidad sísmica estructural). Simultá-neamente dichos modelos permiten la evaluación dela demanda de deformación y ductilidad, la capaci-dad de disipación de energía de la estructura, la ca-pacidad ante cargas horizontales (análisis de "Pus-hover") y en general las características delcomportamiento no lineal de la estructura. Esta acti-vidad fue presentada a manera de manual en las refe-rencias [6] y [7] y se basa en las referencias [1], [2] y[3].

Con base en los análisis de vulnerabilidad y capacidadde carga se pueden establecer las medidas de rehabili-tación y reforzamiento necesarias para disminuir dichavulnerabilidad y minimizar el nivel de daños esperado.Las medidas típicas de rehabilitación se presentan amanera de manual en la referencia [8].

3. CASO DE ANALISIS: PUENTE "LUISIGNACIO ANDRADE"El puente Luis Ignacio Andrade está ubicado en la po-blación de Honda sobre el Río Magdalena y en unazona de amenaza sísmica intermedia con una acelera-ción máxima de diseño a nivel de la roca base de 0.20 g.Se trata de un puente de 140 m de luz principal sobre el

F a c u l t a d d e I n g e n i e r í a 79

río. La estructura principal es colgante con vigas longi-tudinales en armaduras de acero, vigas transversales yviguetas de acero y tablero en concreto reforzado. Elpuente fue sometido a varias pruebas de comporta-miento tales como aplicación de cargas gravitacionalesconocidas, registro de vibraciones ambientales, excita-ción cíclica y registro de la respuesta dinámica, evalua-ción de la calidad de los materiales estructurales princi-pales. El puente se instrumentó con acelerógrafos dealta sensibilidad, "strain gages" en elementos estructu-rales principales, termocuplas y se llevó un registro to-pográfico durante las diferentes pruebas realizadas.

Se realizó la inspección detallada del puente en especialdel estado o posible avance de la corrosión en algunasuniones del cordón inferior, haciendo énfasis en lasconexiones de la celosía a las torres principales delpuente colgante. En las diversas pruebas realizadasque incluyen ultrasonido, tintas penetrantes además deuna inspección visual detallada se encontró en generalque existían problemas de porosidad, socavados y decordones irregulares en la soldadura de armado delpuente. Así mismo en algunos remaches se observódesgaste generado por la corrosión.

También se adelantó un modelo analítico tridimensionalcalibrado con las pruebas de comportamiento realiza-das. La Figura 7 presenta las características generalesdel modelo desarrollado. La Figura 8 compara los resul-tados de la aplicación de la carga en el puente con losresultados equivalentes arrojados por el modelo. Tam-bién se pudo comparar la respuesta dinámica del puen-te y del modelo ante la carga cíclica producida por unexcitador dinámico de estructuras (ver Figura 9). Seevaluaron posteriormente los índices de sobreesfuer-zos de los diferentes elementos estructurales ante dife-rentes situaciones de carga. Los índices de sobrees-fuerzo correspondientes a la situación de carga críticade análisis se presentan en la Figura 10.

A partir del análisis de vulnerabilidad realizado se ade-lantó el diseño de las medidas de rehabilitación y deuso con el fin de subsanar las deficiencias que presen-taban algunos elementos estructurales [5].

CONCLUSIONES

Con base en la información disponible se establecen lassiguientes conclusiones generales:

a De los 1958 puentes incluidos en la base de datos depuentes en la red vial nacional, aproximadamente el

Figura 7. Características generales del modelo desarrolladopara el puente "Luis Ignacio Andrade".

-0 .1 6

-0 .1 4

-0 .1 2

-0 .1

-0 .0 8

-0 .0 6

-0 .0 4

-0 .0 2

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 12 0 13 0 14 0

DEFO

RMA

CIO

N E

N M

ETRO

S

D e fle xi ó n ca lcula d a con S A P 2 00 0 D e fle xi ó n M e di d a en C a m p o

Figura 8. Comparación entre los resultados de la aplicaciónde la carga en el puente "Luis Ignacio Andrade" con losresultados equivalentes arrojados por el modelo analíticocomputacional.

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

Tiempo (seg) 1 seg/división

Ace

lera

ción

(g)

Respuesta medida en campo Respuesta del Modelo Analítico

Figura 9. Comparación entre la respuesta dinámica delpuente y la del modelo analítico computacional ante la cargacíclica producida por un excitador dinámico para el puente"Luis Ignacio Andrade"

Figura 10. Factores de sobreesfuerzo para la situación decarga crítica para el puente "Luis Ignacio Andrade"

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66.1% se clasifican en primera instancia como de vul-nerabilidad media o alta y el porcentaje restante comode vulnerabilidad baja.

b En general los puentes en acero son los que presen-tan la mayor vulnerabilidad ante cargas gravitaciona-les y sísmicas, de acuerdo con los análisis simplifica-dos realizados. No obstante debe aclararse que dentrode la muestra estudiada se encontró que el 3% de lospuentes corresponden a puentes de acero, mientras el88.3% corresponde a puentes en concreto.

c El procedimiento detallado propuesto para evalua-ción de la vulnerabilidad sísmica y capacidad de car-ga de los puentes de la red vial permite simultánea-mente evaluar el estado estructural y estudiar lasalternativas de rehabilitación y reforzamiento.

d Los análisis detallados de vulnerabilidad y capaci-dad de carga desarrollados hasta el momento permi-ten prever la necesidad de intervención de un por-centaje alto de puentes de la red vial debido al cambioradical en los tráficos actuales en comparación conlos de diseño, la edad y estado de las estructuras y lafalta casi generalizada de diseño sismorresistente enlos puentes de más de 5 años de construidos.

REFERENCIAS

1 American Association of State Highway and Trans-portation Officials (AASHTO). LRFD Bridge DesignSpecifications. 1994

2 Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. CódigoColombiano de Diseño Sísmico de Puentes. 1995

3 CALTRANS. Seismic Design Criteria Version 1.1.1999.

4 Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Sistema de Admi-nistración de Mantenimiento de Puentes de Colombia(SIPUCOL). 1996

5 Prospección Sondeos Instrumentación S.A.(PSI). Estu-dio y Diseño para la Rehabilitación del puente Luis Ig-nacio Andrade de la red Vial Nacional sobre el Río Mag-dalena. 1998

6 Universidad de los Andes, Centro de Investigación enMateriales y Obras Civiles (CIMOC). Manual para laevaluación de la capacidad de carga y fatiga de elementosestructurales de puentes en acero. Preparado para el Ins-tituto Nacional de Vías (INVIAS). Diciembre de 2000

7 Universidad de los Andes, Centro de Investigación enMateriales y Obras Civiles (CIMOC). Manual para laevaluación de la vulnerabilidad sísmica y recomendacio-nes para la rehabilitación de puentes. Preparado para elInstituto Nacional de Vías (INVIAS). Diciembre de2000.

8 Universidad de los Andes, Centro de Investigación enMateriales y Obras Civiles (CIMOC). Manual para elreforzamiento y la rehabilitación de puentes. Preparadopara el Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Diciembrede 2000

9 Universidad de los Andes, Centro de Investigación enMateriales y Obras Civiles (CIMOC). Informe Final dela Fase III: Caso de aplicación de evaluación, diagnósti-co, reforzamiento y rehabilitación de tres puentes carac-terísticos. Preparado para el Instituto Nacional de Vías(INVIAS). Diciembre de 2000.